Schicht für Schicht

Würde man Bart Van der Schueren die Augen verbinden und ihn blind durch die weitverzweigten Hallen mit den 3D-Druckern führen, er könnte schon am Geruch erkennen, in welchem Bereich er sich gerade befindet. Mit welcher der vielen Drucktechniken Flugzeugteile, medizinische Implantate, Schuheinlagen, Brillen, Lampen oder Prototypen hochgezogen werden – Schicht für Schicht. Aus dem Nichts.

Der leicht stechende Geruch der großen Stereolithografiedrucker, wie gewaltige Terrarien, in denen blaue Lichter flackern. Die warmen Plastikdünste der Schmelzschicht- und der Lasersinterdrucker, wie Brutkästen in Reih und Glied. Die krankenhausartig sterilen Ausdünstungen der Multi-Jet-Fusion-Geräte, wie übergroße Laserdrucker, denen die Techniker jeden Morgen die Rollboxen entnehmen, in denen über Nacht aus Pulverschichten Objekte gewachsen sind.

Wie es im Metalldruck riecht, können wir nicht erkunden. Metall-3D-Druck wird in Löwen nur für den Medizinsektor durchgeführt – und dieser Bereich ist für Besucher tabu. Aber es ist ohnehin der Kunststoff, auf den Van der Schueren die Aufmerksamkeit lenken will und der einem hier überall begegnet, von den Exponaten in der Lobby bis zu den filigranen Deckenlampen im ganzen Gebäude, deren organisch wirkende Strukturen auf mathematischen Formeln beruhen.

„Dass wir Metalle wie Aluminium, Titan oder Stahl drucken können, fasziniert viele Besucher“, sagt der Technologiechef (CTO) des Unternehmens Materialise. „Aber unser Arbeitspferd ist der Kunststoff. Wir fertigen etwa eine Million Teile pro Jahr, davon sind 800.000 aus PA 12.“

Dass sie hier aus Polyamid 12 so viel herstellen, Prototypen ebenso wie fertige Produkte für Endverbraucher, Medizin, Auto- und Flugzeugbau, wundert den Ingenieur immer noch. „Eigentlich ist das Material überqualifiziert für viele Anwendungen. Etwas zu robust, zu steif, zu temperaturresistent. Da würde man für viele Anwendungen eher auf das billigere Polypropylen setzen. Aber wir stellen immer wieder fest, dass bei der additiven Fertigung PA 12 praktischer im Einsatz ist, weil damit so viel geht.“

Vieles in der „additiven Fertigung“, wie der Experte anstelle von 3D-Druck sagt, widerspricht konventionellen Erfahrungen und Erwartungen. „Normalerweise würde man als Unternehmen dem Materialhersteller in den Ohren liegen mit Wünschen nach besseren Eigenschaften.“ Aber fast immer, wenn sie bei Materialise eine Idee in die Wirklichkeit umrechnen, stellen sie fest, dass sie aus PA 12 genau das herausholen können, was sie gerade brauchen. Von hauchzarten Lampenschirmen bis zu metallisch wirkenden Präzisionsteilen für die Autofertigung, für die das PA-12-Pulver mit Aluminiumpartikeln gemischt wird.

„In der additiven Fertigung ändern wir nicht die Eigenschaften des Materials“, sagt Van der Schueren. „Wir geben ihm die gewünschten Eigenschaften durch die Struktur, die wir am Rechner entwickeln. Für die Industrie ist das ein neues Denken.“

In der Orthopädie etwa bedeutet das gerade eine kleine Revolution. Wer orthopädische Einlagen in den Schuhen trägt, der weiß: Das sind teure Einzelanfertigungen, je nach Beanspruchung aus Kombinationen von Kork und Leder oder verschiedenen Kunststoffen gefertigt.

Materialise druckt orthopädische Einlagen aus PA 12, basierend auf 3D-Abdrücken des Gangbilds.„Wir analysieren die Bewegung und berechnen, wie viel Unterstützung an welcher Stelle des Fußes gebraucht wird“, sagt Van der Schueren. „Unsere Software entwirft dann eine Struktur, die an jeder Stelle die richtige Eigenschaft hat, mal fester, mal elastischer. Und das drucken wir an einem Stück, aus einem einzigen Material.“ Und das hält? „Lassen Sie es mich so sagen: Wir haben uns beim Geschäftsmodell ziemlich geirrt, die Kunden müssen sehr viel seltener nachbestellen, als wir erwartet hatten.“

Wie 3D-Druck zur Wertschöpfung beitragen kann, muss man vielen Unternehmen erst noch erklären, sagt Van der Schueren. „Viele kommen zu uns, weil sie ‚irgendwas mit 3D-Druck‘ machen wollen. Aber sie wissen nicht, was, und oft haben sie völlig falsche Vorstellungen.“ Der häufigste Irrtum: dass der 3D-Druck in der Massenfertigung das klassische Spritzgussverfahren ersetzen könne. Irgendwann wird die Technik so weit sein, aber noch ist die additive Fertigung bei vielen Serienprodukten teurer, als viele denken.

Wertschöpfung durch 3D-Druck entsteht anders, weswegen Materialise mit jedem Kunden auf die Suche nach sinnvollen Anwendungsfällen geht. Additive Fertigung punktet zum Beispiel da, wo die Stückzahlen so klein sind, dass es sich nicht lohnt, Spritzgussformen zu fertigen, und andere Verfahren wie das Fräsen nicht die gewünschten Eigenschaften liefern.

Ein Beispiel sind Flugdrohnen, in denen ein Stützgerüst aus Kohlefasern für Stabilität sorgt. Materialise druckt Kunststoffführungen, in denen winzige Kanäle jede dieser hauchdünnen Fasern in die richtige Anordnung bringen, sodass sie präzise verklebt werden können. „Bei den Stückzahlen, in denen diese Drohnen verkauft werden, wäre das mit keinem anderen Verfahren wirtschaftlich machbar.“

Mehrwert erzeugt der 3D-Druck auch da, wo er Einzelanfertigungen in Masse möglich macht. Die orthopädischen Sohlen sind ein Beispiel dafür, ein anderes sind Brillen: „Hier ist der Mehrwert, dass man besser sieht als mit Serienbrillen. Wir können genau berechnen, wie das Glas vor deinem Auge und das Gestell auf deiner Nase sitzen muss, sodass es genau zu deinem Schädel passt. In jeder Design- und Farbvariante, die du willst.“

Ein anderes Beispiel möglicher Wertschöpfung steht in der Eingangshalle: ein experimenteller Autositz für Toyota, nur sieben Kilogramm schwer – normalerweise wiegt ein Sitz 30 Kilogramm – und komplett aus PA 12. Erst aus der Nähe sieht man: Er ist in einem Stück gefertigt, vereint in sich aber verschiedene Strukturen. Ein Geflecht verleiht dem Korpus Festigkeit, an der Oberfläche sorgen kleine federartige Strukturen für Flexibilität.

Der Sitz ist nur ein Prototyp, der zeigt, welche Gewichtseinsparungen man heute schon im Automobilbau erzielen könnte. Aber für eine Serienfertigung müsste sich erst viel an der Technik tun. Sie ist derzeit noch bei großen Bauteilen zu teuer – auch hier müssen Hersteller und Ingenieure umdenken.

„Im Spritzguss rechnest du einfach Materialpreis mal Dichte mal Menge und hast deine Kosten“, sagt Van der Schueren. In der additiven Fertigung entstehen die Strukturen aus einem Pulverbad, und es gibt keine festen Formeln dafür, wie viel Rohmaterial am Ende Ausschuss ist. Dazu kommen die Energiekosten, die sich potenzieren. „Normalerweise rechnest du bei doppelter Größe den doppelten Aufwand. Im 3D-Druck bedeutet doppelte Größe aber den achtfachen Aufwand.“

In der additiven Fertigung entstehen die Produkte Gitterpunkt für Gitterpunkt. Das Material wird erhitzt, schmilzt, erkaltet, nimmt Form an. Bei Verfahren wie dem Lasersintern oder dem Multi-Jet-Druck ist das Rohmaterial Pulver, das Schicht um Schicht aufgetragen und gezielt an den Punkten erhitzt wird, die bleiben sollen.

Die 3D-Drucker, die man im Elektromarkt kaufen kann, arbeiten dagegen mit einem Kunststoffgarn, das von einer Spule abgewickelt, erhitzt und durch eine Düse aufgetragen wird, ähnlich wie bei einer Heißklebepistole. Auch dieses Schmelzschichtverfahren (englisch Fused Deposition Modeling, kurz FDM) wird im Profibereich eingesetzt, obwohl es langsamer und weniger leistungsfähig ist. Aber man kann damit geschlossene Strukturen kreieren, die innen hohl sind. Auf FDM-Maschinen produziert Materialise zum Beispiel das Innenfutter für Skistiefel, angepasst an einen 3D-Scan des Fußes.

Dazu kommt: Auf FDM-Druckern können mehr Kunststoffe verarbeitet werden, was ein entscheidender Vorteil in Industrien ist, bei denen jedes Material einzeln zugelassen werden muss. Oder jedes Fertigungsverfahren: So entstehen in einem abgesperrten Bereich auf FDM-Maschinen Bauteile für den Airbus A350, weil dieses Verfahren eben für den Flugeinsatz zertifiziert ist. „In jedem Flugzeug sind einige Hundert Komponenten von Materialise verbaut“, sagt Van der Schueren. „Die Stückzahlen pro Bauteil sind insgesamt so klein, dass sich hier eine Spritzgussfertigung nicht lohnt und andere Herstellungsverfahren zu teuer wären.“

Die meisten 3D-Drucker, mit denen Materialise an seinen weltweit verteilten Produktionsstandorten arbeitet, kommen von Herstellern wie HP. Mit eigenen Entwicklungen setzen die Belgier da an, wo es noch keine Angebote auf dem Markt gibt. Zum Beispiel bei Druckern für sehr große Bauteile, hier hat Materialise Geräte gebaut, in denen etwa ein Replikat der Gletschermumie Ötzi, Nachbildungen griechischer Statuen oder – etwas profaner – komplette Armaturenbretter entstanden sind. „An dieser Entwicklung haben wir viel darüber gelernt, was geht und was nicht geht“, sagt Van der Schueren.

An ihre Grenzen kommen Kunststoffe wie PA 12 teilweise im Medizinbereich. Dauerhafte Implantate etwa werden immer noch aus Titan gefertigt. „PA 12 ist zwar biokompatibel“, sagt Van der Schueren, „aber es gibt noch keine Langzeitstudien, die belegen, dass das Material dauerhaft im Körper verbleiben kann.“ Bei Metallen müssen die Ingenieure dann andere Nachteile ausgleichen. Zum Beispiel die gute Wärmeleitfähigkeit. „Wenn Sie ein Loch im Schädel mit einer Titanplatte schließen, darf der Patient seinen Kopf nicht mehr in die Sonne halten, weil die Platte zu heiß wird. Er darf auch nicht schwimmen gehen, weil das Gehirn dann auskühlt.“ Materialise druckt darum Metallimplantate mit einer feinen Netzstruktur, die wie ein Temperaturpuffer wirkt.

Im Vergleich zu diesen filigranen Werkstücken wirkt eine der wichtigsten medizinischen Anwendungen von PA 12 auf den ersten Blick völlig unscheinbar: individuell gefertigte Bohr- und Sägeschablonen, mit denen Chirurgen bei komplizierten Knochenoperationen die Schnitte und Schrauben so platzieren, dass der gerichtete Knochen genau so zusammenwächst, wie sie es zuvor am Computer berechnet haben. Dieses Verfahren erspart jeden Monat mehreren Tausend Patienten ein Trial-and-Error-Verfahren auf dem OP-Tisch.

Die Medizintechnik ist einer von drei Schwerpunkten von Materialise. Die beiden anderen sind die industrielle Auftragsfertigung von Prototypen und Endprodukten – und die Entwicklung von Software für den 3D-Druck. Hier liegen auch die Wurzeln des Unternehmens, das in den Neunzigerjahren hier in der Universitätsstadt Löwen gegründet wurde.

„Wir haben damals schnell festgestellt, dass der 3D-Druck an sich ganz einfach ist“, sagt Van der Schueren. „Das Problem war: Wie können wir ein Design so aufbereiten, dass wir es in 3D drucken können?“ In Zeiten des Virtual-Reality-Booms kann man sich das kaum vorstellen, aber in den Neunzigern war die Industrie eine Welt in zwei Dimensionen. „In ganz Belgien gab es keine Firma, die ein 3D-Design machen konnte.“

Schon früh habe man die Entscheidung getroffen, die eigenen Innovationen nicht für sich zu behalten, sagt Van der Schueren. Dank dieser Offenheit sei Materialise heute einer der Marktführer: „Unsere Software ist das Rückgrat für einen Großteil der Industrie.“

Die Recyclingquote ist eines der großen Entwicklungsthemen im 3D-Druck. Wenn es darum geht, fertige Produkte nach der Verwendung zu recyceln, hat das Verfahren einen großen Vorteil: Weil PA 12 so vielseitig ist, dass man nur noch ein Material braucht, um selbst komplexe Produkte herzustellen, muss man hier keine Verbundmaterialien mehr auftrennen.

Neben der technischen Innovation seien im 3D-Druck vor allem Design-Innovationen notwendig: „Die meisten Designer denken bei der Produktentwicklung noch in Blöcken, aus denen sie Einzelteile herausarbeiten und zusammenbauen. Wir bringen ihnen bei, anders zu denken.“ Zudem ist es möglich, Teile zu entwerfen, die viel mehr Funktionen haben als bei herkömmlicher Herstellung. Zur Verdeutlichung nimmt Van der Schueren gern ein Objekt zur Hand, das aussieht wie die Plastiknachbildung einer Riesenqualle. Tatsächlich ist das Ding ein Klapphocker aus vielen mit Scharnieren verbundenen Teilen, die sich mit einer Handbewegung elegant zum Sitzmöbel entfalten. „Und das kommt so in einem Rutsch aus dem Pulverbad. Abbürsten und ausklappen.“

Wie groß der Reiz greifbarer Produkte und die Faszination des 3D-Drucks sind, bemerkt Materialise auch bei der Nachwuchswerbung: „Wir hatten am Standort Bremen zuerst nur Software-Entwicklung und haben uns wahnsinnig schwergetan, Nachwuchskräfte zu bekommen, obwohl wir direkt am Campus sitzen, was wir an all unseren Standorten gern tun.“ Inzwischen ist Bremen auch ein Produktionsstandort – und plötzlich sei es viel leichter, Programmierer zu bekommen. „Weil sie jetzt nicht nur erzählen können: Ich habe was programmiert. Sondern sie können etwas in die Hand nehmen und sagen: Ich habe etwas programmiert, und deswegen gibt es jetzt dieses coole Ding.“